[科普中国]-磁共振方法

利用磁共振分析固态物质结构及其动态过程的方法。磁共振是指固体在一定磁场作用下其原子或原子核所产生的共振吸收现象。1

磁共振磁共振指固体在恒定磁场和高频磁场同时作用下，当恒定磁场与高频磁场的频率满足一定条件时，该固体对高频电磁场的共振吸收现象。2

具有不同磁性的物质在一定条件下都可能出现不同的磁共振。与电子磁性有关的主要有抗磁共振、顺磁共振和铁磁共振。

与核磁性有关的有核磁共振。各种磁共振既有共性又各有特性。其共性表现在基本原理和实验方法类似，而特性则表现在各种共振有其产生的特定条件和不同的微观机制。

与电子有关的磁共振频率都在微波频段，而核磁共振频率则在射频频段。

工作原理电子绕其本身轴线自转以及原子核的自旋都具有磁偶极矩（磁矩）。

按照量子力学规律，具有磁矩的原子和原子核在外加磁场中的能态是量子化的，即具有一系列的能级。在磁共振实验中，把样品放在强磁场内，样品内原子的电子和核就处于不同的能级。

如果在垂直于磁场的平面内再加一适当频率的交变弱磁场，以使其静磁场产生一些变化直至共振出现时，许多原子和核就会从共振磁场吸收能量而从低能级跃迁到高能级，此时在检测系统中可测得样品对高频电磁能量的吸收Pa与磁场B（或频率W）的关系，即磁场共振吸收曲线。

根据磁共振吸收曲线的共振线宽（相应于最大共振吸收一半的磁场间隔）△B、共振吸收强度（最大共振吸收Pmax或共振曲线面积）和共振曲线形状（包括对称性和精细结构等）等，可以获得样品性质和结构方面的有关信息。

分类介绍磁共振方法中所利用的磁共振主要有铁磁共振、顺磁共振、回旋共振、核磁共振、磁双共振。铁磁共振可用于研究铁磁体中动态过程和测量磁性参量。

铁磁共振铁磁有序物质在恒定磁场B和高频磁场b（ω）的同时作用下，满足ω=γB的条件时，这铁磁物质对高频电磁场产生的强烈吸收现象，称为铁磁共振，其中γ为铁磁物质的旋磁比，ω为高频电磁场的角频率。3

广义的铁磁共振还包括其他强磁性有序（如亚铁磁性）物质的磁共振。

铁磁共振是1946年英国物理学家J。Griffiths在金属Fe，Ni和Co箔中发现的，随后在铁氧体及其他众多的强磁性物质中都观测到了。

经过多年的发展，铁磁共振不但已成为研究强磁有序物质中自旋系统运动和若干磁特性的重要方法，而且也是微波旋磁器件应用的物理基础。

顺磁共振由于未成对电子的自旋产生的磁矩在磁场中吸收电磁波而产生电子磁能级跃迁的现象，称为顺磁共振，简记作EPR。又称为电子自旋共振，简记作ESR。是1944年查沃斯基(Е.К.Завойский)发现的。4

含有未成对电子的物质(过渡金属离子、自由基等)电子自旋磁矩不为零，具有顺磁性。与核磁共振相类似，电子磁矩在磁场中方向量子化，此磁矩取向不同，电子的能量也就不同，因而产生不同的磁能级。当外来电磁波的频率和这些磁能级相当时，电磁波被吸收，就会产生电子自旋共振即顺磁共振。

由于分子中未成对电子的自旋-轨道偶合或自旋-自旋相互作用在电子顺磁共振谱中可产生多重峰，被称为精细结构。由于核磁矩的影响，引起电子的磁能级分裂，因而电子顺磁共振谱中的谱线也将分裂为多条谱线，称为超精细结构。顺磁共振是研究具有未成对电子的物质，如自由基、某些络合物以及含有奇数电子的分子的有力工具。

核磁共振在磁场中原子核对无线电波产生的影响。外界强磁场引起核子磁矩绕磁场方向发生进动，且根据量子理论，进动只沿某些特定的方向的发生。

从一个进动方向到另一个方向的变化涉及光子的吸收或发射，光子的频率与进动频率一致。在一定强度的稳定磁场作用下，其辐射处于射频波段。如果将射频从一线圈连接到样本，再用另一线圈进行测试，那么，随着磁场强度的改变，辐射总是以特定的磁场值被吸收，其吸收值与磁场方向的频率差相一致。5

核磁共振谱由磁场强度对检波器响应的曲线图构成，可据以了解分子结构和分子中电子的位置，这是由于沿轨道运行的电子覆盖原子核并使之在不同磁场强度下产生共振之故。

应用简介顺磁共振可用于研究固体的基态能谱以及固体中的相变、弛豫和缺陷等的动力学过程。回旋共振可用于研究半导体和金属的能带结构、载流子有效质量等。核磁共振可用于研究各种固体（包括无机、有机和生物大分子材料）的结构、化学键、相变和化学反应等过程。磁双共振由于可利用其中的一种磁共振来探测另一种磁共振，因而研究它们可获得更多有用信息，如电子-核双共振方法可用来测量超精细和特超精细分裂。

现在，磁共振方法已成为物理学、化学、生物学以及材料科学、医学科学等广泛领域的有效研究方法。

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学